【研究背景】
传统活性氧(ROS)肿瘤治疗策略中，ROS的产生往往是高剂量和脉冲式的，因此ROS治疗效率往往受到肿瘤微环境中较低的反应底物如氧气和过氧化氢浓度的限制，因此，如何实现长效ROS产生成为亟待解决的问题。生物体内存在的 “温水煮青蛙”过程如神经递质多巴胺(DA)与Fe(II)/Fe(III)的相互作用以及稳态失衡导致低剂量羟基自由基(•OH)的长期积累，这一过程最终将带来神经细胞的损伤和退行性神经疾病如帕金森症的发生。
受此启发，本课题组开发了一种基于聚多巴胺的三元多孔纳米反应器，可在肿瘤弱酸和低过氧化氢浓度下实现长效•OH生成。以Long-Lasting Reactive Oxygen Species Generation by Porous Redox Mediator-Potentiated Nanoreactor for Effective Tumor Therapy为题发表在《Advanced Functional Materials》杂志上，第一作者为博士研究生丁涛。
该三元纳米反应器以介孔聚多巴胺(MPDA)作为多孔氧化还原介体，以金属矿化物羟基氧化铁(FeOOH)和磷酸钙(CaP)分别作为“铁池”和酸响应“保护层”。由于CaP的保护作用，该纳米反应器(MPDA/FeOOH@CaP)在中性环境保持稳定，避免了正常组织中的非特异催化反应。在肿瘤弱酸性条件下，CaP保护层被降解，暴露出MPDA/FeOOH的协同催化表面。Fe(III)能够与MPDA表面的邻苯二酚基团螯合，且由于其水溶性差，从“铁池”中释放出来的Fe3+通常快速地与邻苯二酚螯合，随后经过邻苯二酚与Fe3+之间的单电子转移，Fe3+被还原成Fe2+，随即释放至溶液中与过氧化氢进行高效芬顿反应（图1）。该FeOOH溶解、Fe3+螯合、Fe3+还原和Fe2+释放持续“四步走”机制对于Fe物种的循环利用和长效ROS产生起到关键作用。
【图文导读】
图1. MPDA/FeOOH@CaP纳米颗粒的制备原理图(a)及其在肿瘤治疗中的长效催化机制示意图(b)。
图2. 纳米颗粒的表征。MPDA (a)和MPDA/FeOOH (b)纳米颗粒的透射电镜图和MPDA/FeOOH纳米颗粒的高分辨透射电镜图(插图)、氮气吸附脱附等温线及其相应孔径分布图(c)、X 射线光电子能谱图(d)以及氧元素(e)和铁元素(f)的高分辨图、X射线衍射图谱(g)、MPDA/FeOOH@CaP 纳米颗粒的透射电镜图(h)、高角环形扫描透射电镜图像和相应的元素扫描图像(i)。
图3. 三元聚多巴胺多孔反应器的长效类芬顿催化性能评价和催化机制研究。MPDA, FeOOH, MPDA/FeOOH和MPDA/FeOOH@CaP纳米颗粒(100 μg mL-1)与过氧化氢(0.1 mM)反应的电子顺磁共振谱图(a)。自由基探针TMB被羟基自由基氧化前后的结构和颜色变化示意图(b)以及MPDA/FeOOH和FeOOH纳米颗粒在类芬顿反应过程中的Michaelis-Menten稳态动力学数据(c)。MPDA/FeOOH和FeOOH纳米颗粒在类芬顿反应过程中的可重复性研究(d)。在预先确定的时间点(0, 1, 3, 6, 9, 24 h)持续添加H2O2 (10 μL, 20 mM)的类芬顿反应体系中，TMB探针在650 nm处随时间的吸光度变化图(e)。每次添加 H2O2后，立即记录20 min内TMB的吸光度变化情况。体系中TMB探针的浓度为1 mM。MPDA/FeOOH@CaP, MPDA/FeOOH和FeOOH分散液(HAc-NaAc, pH 6.5)中的Fe物种转化(f)。MPDA/FeOOH纳米颗粒在不同条件下连续参与类芬顿反应20 min后的差分脉冲伏安曲线(g)。MPDA促进非均相类芬顿反应的牺牲型电子转移机制(h)。
图4. 三元聚多巴胺多孔反应器的pH响应活性氧累积产生评价。MPDA/FeOOH@CaP纳米颗粒在不同pH值条件下类芬顿催化活性随时间的变化情况(a)。MPDA, MPDA/FeOOH和 MPDA/FeOOH@CaP纳米颗粒在中性(pH =7.4)环境中对HUVEC细胞(b)和NIH-3T3细胞(c)的毒性数据。在连续添加H2O2 (pH 6.5)的条件下，MPDA/FeOOH和 FeOOH作为工作电极的电流-时间曲线(d)。插图：三电极体系对添加 H2O2的电流响应操作示意图。经过不同处理后MCF-7细胞内ROS产生的激光共聚焦图像(e)和流式细胞术数据(f)。通过监测不同时间间隔的胞内DCF荧光信号反映长效胞内ROS的生成的激光共聚焦图像(g)和流式细胞术数据(h)。比例尺为 50 μm。
图5. 三元聚多巴胺多孔反应器的体外肿瘤抑制效果研究。分别与一系列浓度MPDA纳米颗粒共培养24 h后MCF-7细胞的细胞活性(a)以及分别与MPDA/FeOOH, FeOOH和MPDA/FeOOH@CaP纳米颗粒在pH 7.4 (b)和pH 6.5 (c)共培养24 h后的细胞活性。纳米颗粒与近红外光照处理后MCF-7细胞的细胞活性数据(d)。经过不同处理后的MCF-7细胞的活细胞/死细胞分布(e)和凋亡数据(f)。
图6. 三元聚多巴胺多孔反应器的体内抗肿瘤效果评价。MCF-7移植瘤的建立和治疗时间线示意图(a)。尾静脉注射装载IR780近红外染料的MPDA/FeOOH@CaP纳米颗粒后，荷瘤裸鼠的在不同时间点的全身荧光成像图片(b)以及肿瘤和主要脏器在24 h的体外荧光成像图(c)及其相应的平均荧光强度统计图(d)。在注射MPDA/FeOOH@CaP颗粒后的不同时间点施加5 min近红外光照后肿瘤部位的表面温度(e)，以及在注射MPDA/FeOOH@CaP颗粒6 h后，肿瘤部位随时间变化的近红外热成像图(f)。治疗过程中荷瘤裸鼠的相对肿瘤体积(g)和体重变化(h)曲线。经H&E或TUNEL染色的MCF-7肿瘤切片（15 天）的组织病理学图片(i)和肿瘤切片TUNEL染色后阳性细胞的荧光强度统计(j)。比例尺为100 μm。
图7. 三元聚多巴胺多孔反应器的长效肿瘤生长抑制与长程毒性研究。经H&E或TUNEL 染色的MCF-7肿瘤切片（30 天）的组织病理学图片(a)和肿瘤切片TUNEL染色后阳性细胞的荧光强度统计(b)。比例尺为100 μm。纳米颗粒静脉注射30天后各组荷瘤裸鼠主要脏器的组织病理学图像(c)以及MPDA/FeOOH 组肝脏和肾脏的放大图(d)。比例尺为50 μm。各组荷瘤裸鼠的血液谷丙转氨酶和谷丙转氨酶水平(e)。
【小结】
通过ROS治疗/光热治疗体外/体内联合治疗性能评价和分析，该工作阐明了三元聚多巴胺多孔反应器(MPDA/FeOOH@CaP)的pH响应催化位点呈递性质和可溶性氧化还原介体功能，能够助力长效ROS产生，实现基于纳米药物输送和智能响应的高效低毒组合治疗效果，将为基于ROS肿瘤治疗的纳米平台设计提供新的思考。
【原文链接】
https://doi.org/10.1002/adfm.202008573